EP2134797B1

EP2134797B1 - Biozide/hydrophobe innenbeschichtung von kondensatorrohren (von industrieturbinen und nebenkühlkreisen)

Info

Publication number: EP2134797B1
Application number: EP08736048.3A
Authority: EP
Inventors: Anke SÖLLNER; Heinrich Zeininger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2028-04-10
Also published as: CN101679802A; DE102007017518A1; US20100068457A1; EP2134797A1; RU2009141836A; CN101679802B; KR101497361B1; RU2458095C2; KR20100016521A; WO2008125585A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtung für Behälter und Rohre aus beispielsweise Metall, Glas, Kunststoff oder Keramik, insbesondere Kondensatorrohre, zur Reduzierung oder Vermeidung einer Biofilm-Bildung sowie ein Verfahren zu Herstellung der Beschichtung.
Aufgrund der optimalen Temperaturen für Organismen kann es beispielsweise in Kondensatorrohren von Industrieturbinen und anderen Wärmeüberträgern zur Bildung von Biofilmen, Algenwachstum, so genanntem Biofouling, kommen.
Der Biofilm ist ein permanenter Schutzraum für Mikroorganismen (z. B. Bakterien, Algen, Pilze, Protozoen). Biofilme bilden sich überwiegend in wässrigen Systemen, wenn Mikroorganismen sich an Grenzflächen, beispielsweise auf der Grenzfläche zu einer festen Phase, ansiedeln. Der Biofilm enthält außer den Mikroorganismen hauptsächlich Wasser. Von den Mikroorganismen ausgeschiedene extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) bilden in Verbindung mit dem Wasser Hydrogele, so dass eine schleimartige Matrix, die Glykokalyx, entsteht, die dem Biofilm eine stabile Form gibt und die Mikroorganismen ermöglicht, sich an alle Materialien und Gewebe festzuhalten. Die Glykokalyx bestehen aus Biopolymere. Dabei handelt es sich um ein weites Spektrum von Polysacchariden, Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren.
Die Glykokalyx schützt die Bakterien vor Umwelteinflüssen, wie Temperaturänderungen, Flussrate etc. Durch Wasserkanäle der Glykokalyx werden die Bakterien mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt. Durch ihre Sorptionseigenschaften führt sie zu einer Anreicherung von Nährstoffen und ist daher Teil der Überlebensstrategie von Biofilmorganismen in oligotropher Umgebung.
An der Grenzschicht zum Wasser können immer wieder Zellen oder ganze Teile des Biofilms abgegeben und vom vorbeiströmenden Wasser aufgenommen werden. Die Biofilme selbst filtern ankommende neue Zellen und Bakterien und entscheiden, ob das von außen angeschwemmte Teilchen bleiben darf oder vertrieben wird. Bei dieser für die Differenzierung des Biofilms notwendigen interzellulären Kommunikation, auch "Cell-to-Cell-Signaling" genannt, werden entsprechende Botenstoffe bzw. Signalmoleküle ausgesandt.
Oberstes Ziel dieses Informationsaustausches ist die Regulation der Genexpression, die letztendlich den geordneten Aufbau des Biofilmsystems erst ermöglicht. Dieser interzelluläre Informationsaustausch basiert im Wesentlichen auf der kontinuierlichen Abgabe von Botenstoffen durch die Bakterienzellen in niedriger Konzentration. Dieses Prinzip der zelldichteabhängigen Regulation der Genexpression wird als "Quorum sensing" bezeichnet. Es handelt sich hierbei um ein inter- und intrazelluläres Kommunikations- und Regulationssystem mittels Signalmolekülen, den Autoinducern. Sie erlaubt es den Zellen einer Suspension durch Autoinduktion die Zelldichte der Population zu messen und darauf zu reagieren. In Abhängigkeit von der Zelldichte steigt die Konzentration der Signalmoleküle im Umgebungsmedium an und induziert nach dem Überschreiten einer kritischen Schwellenkonzentration in den Bakterienzellen die Transkription spezifischer Genprodukte, die zur gezielten Änderung der phänotypischen Funktionen des Mikroorganismus führen.
Industrielle Prozess- oder Verfahrenswassersysteme, wie zum Beispiel offene oder geschlossene Wasserkreisläufe, Wasseraufbereitungs- und Brauchwassersysteme oder Kühlwassersysteme bieten geeignete Bedingungen für die Vermehrung von Mikroorganismen. Der Biofilm führt zu Veränderungen der physikochemischen Eigenschaften des betreffenden Materials, z. B. in Hinblick auf deren Reibungswiderstand, Diffusionsverhalten oder Wärmeleitfähigkeit. Zusätzlich können die Ausscheidungen der Biofilm-Organismen auch die Korrosion ihrer Unterlage beschleunigen, man spricht dann von Biokorrosion. Biokorrosion verursacht im Wesentlichen Veränderungen der Struktur und Stabilität eines Materials durch ästhetisch beeinträchtigende Verfärbungen, Ausscheidung direkt oder indirekt korrosiv wirkender Stoffwechselprodukte bis hin zum enzymatischen Abbau der betreffenden Materialien.
Als Folgen von Biofouling und Biokorrosion können die diverse Schäden hervorgerufen werden, wie beispielsweise erhöhter Wärmeleitungswiderstand und damit verbunden ein erhöhter Kondensatordruck, Verschlechterung der Wasserqualität des Wassers, Sicherheitsprobleme, z. B. durch Verstopfung von Ventilen, erhöhter Reinigungsaufwand, Ausfallzeiten, Belastung von Anlageteilen durch die Reinigungsprozeduren, verringerte Anlagenleistung, verkürzte Lebensdauer, schlechtere Kühlleistung bei höherem Energieverbrauch und ein erhöhter Einsatz von Bioziden und Reinigungsmitteln und damit eine erhöhte Abwasserbelastung.
Verschiedene Maßnahmen wurden entwickelt, um die Bildung von Biofilmen zu Verhindern bzw. Verlangsamen bzw. die Biofilme zu entfernen. Dazu zählen die mechanische Zerstörung der Biofilme, Maßnahmen zur Desinfektion und Entkeimung des Wassers und enzymatische Verfahren für die Entfernung von Biofilmen.
Zur Verhinderung bzw. Beseitigung von Ablagerungen werden Rohrreinigungsanlagen verwendet, z. B. Taprogge, bei dem Schwammgummikugeln vor, die zusammen mit dem Kühlwasser im Kreislauf durch die Anlage geführt werden. Diese Anlagen sind sehr teuer und werden in kleineren Kondensatoren, z. B. Industrieturbinen, und Nebenkühlkreisläufen selten verwendet. Weitere konventionelle Methoden zur Verhinderung von Biofouling sind zum Beispiel ein Rohrleitungsdesign, das zu einer Fließgeschwindigkeit von 2-3 m/s führt, ein zweigeteiltes Kondensatordesign, ein Zwei-Straßen-Rohrreinigungssystem, Kondensatorrückspülen und die thermische Behandlung.
Die Ablagerung von bakteriellen Schleimen kann zwar mit Bioziden wirksam kontrolliert werden, jedoch bietet der Biofilm seinen Mikroorganismen einen gewissen Schutz. Dementsprechend sind sehr hohe Konzentrationen an Bioziden erforderlich, um die Bakterien abzutöten, was aus Umweltschutzgründen unerwünscht ist. Zudem lassen sich Mikroorganismen in den Biofilmen besonders schlecht ablösen. Um eine Bildung des Biofilms zu verhindern, werden derzeit Biozide, beispielsweise Natriumhypochlorit und Chlordioxid, eingesetzt.
Metalle, wie Kupfer, Aluminium und Zink und gegebenenfalls auch Silber, gelten als für Bakterien toxisch. Beispielsweise verwendet das Cuprion-Anti-Fouling-System Kupfer- und Aluminiumanoden in einem isolierten Stahlrahmen, der als Kathode dient. Hierbei werden jedoch lösliche Biozide in Form von Kupfer- bzw. Aluminiumionen ins Kühlwasser abgelassen.
DE 102 25 324 A1 verwendet einen antimikrobiellen (Acryl-) Lack mit Nanoteilchen, die kleiner als 100 nm sind, deren Oberfläche mit Silber- oder Kupferionen oder in elementarer Form angereichert ist. Eine biozide Wirkung konnte beispielsweise bei Si-beschichteten TiO₂-Partikeln festgestellt werden.
DE 103 37 399 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines silberkolloidhaltigen Stoffs und seinen Einbau in Lacke. Silberamin- und -diaminkomplexe mit Komponenten auf Basis von Epoxysilanen werden eingearbeitet. Die Silberkolloid-Partikel weisen einen Durchmesser von 5 bis 30 nm auf, wodurch eine kontrollierte Ag-Abgabe erreicht wird. Die Lacke zeigen eine biozide bzw. bakterizide Wirkung.
Die bakterizide Wirkung von Silber ist bekannt, der Mechanismus ist jedoch noch nicht vollständig aufgeklärt. Silberpartikel sind physiologisch verträglich. Silbersalze, wie Silbernitrat, zeigen auf Zeolithe aber nur einen geringen antibakteriellen Effekt. Zudem laugen Silberpartikel auch bei kontrollierter Abgabe mit der Zeit aus. Untersuchungen des kontrollierter Abgabe mit der Zeit aus. Untersuchungen des Erfinders haben gezeigt, dass die antibakterielle Wirkung von silberbasierten Systemen bereits nach zwei Wochen abnimmt.
DE 696 23 328 betrifft eine Zusammensetzung, die Mannanase zur Verhinderung und/oder Entfernung von Biofilm auf Oberflächen enthält. DE 696 19 665 offenbart ein Exopolysaccharid abbauendes Enzym, das in der Lage ist, Colansäure abzubauen. Diese enzymatischen Verfahren sind jedoch nicht vorbeugend, sondern setzen beim bestehenden Biofilm an.
Die Aufgabe der Erfindung ist eine verbesserte Beschichtung, die die Biofilm-Bildung insbesondere in Wärmeüberträgern wie Kondensatorrohren (von Industrieturbinen) und Nebenkühlkreisen deutlich reduziert oder vermeidet, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu finden. Die Beschichtung soll

den Anlagerungsmechanismus der Bakterien stören und so eine Anlagerung verhindern bzw. minimieren,
einen Verzicht auf den Einsatz löslicher biozider Chemikalien bzw. toxische Metalle ermöglichen und somit die zum Beispiel betreffenden Kraftwerke umweltverträglicher gestalten,
die Wärmeleitfähigkeit des beschichteten Materials verbessern bzw. nicht einschränken,
gut auf dem beschichten Material haften und hydrolysebeständig sein,
einen wesentlich geringeren Wartungsaufwand der Anlage im Vergleich zu mechanischen Reinigungsverfahren ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch eine Beschichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren mit Merkmalen gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Überraschenderweise konnte die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst werden, dass die Beschichtung die folgende Eigenschaftskombination aufweist:

Erniedrigung der Oberflächenenergie durch Nanopartikel,
Erhöhung der Wärme- und elektrischen Leitfähigkeit mit Nano- und/oder Mikropartikel-Composites,
Hydrolysebeständigkeit durch Einsatz hydrolysebeständiger Polymere,
Korrosionsschutz für Rohrleitungen.

Die hydrophobe Oberfläche der erfindungsgemäßen Beschichtung verhindert die Ausbildung eines Wasserfilms. Es ist bekannt, dass die Bildung von Ablagerungen durch Beschichten der betroffenen Oberflächen mit einem niederenergetischen Beschichtungsmaterial unterdrückt werden kann. Dabei wird mit der Oberflächenenergie die Benetzbarkeit beschrieben (vgl. Fig. 1). Der Kontaktwinkel bzw. Randwinkel θ eines Flüssigkeitstropfens hängt von der Oberflächenenergie der Flüssigkeit σ₁ und der Substratoberfläche σ_s ab und ist ein Maß für die energetische Wechselwirkung zwischen dem Festkörper und der Flüssigkeit. Die Energie der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Substratoberfläche ist σ_sl. $cosθ = \frac{σ_{s} - σ_{sl}}{σ_{1}} = \frac{σ_{c}}{σ_{1}}$
Ein stetiger Wasserfilm an der Oberfläche würde die Anlagerung von Bakterien begünstigen. Die erfindungsgemäßen Beschichtungen schaffen superhydrophobe Oberflächen mit Oberflächenenergien von kleiner als 20 mN/m, wodurch ein stetiger Wasserfilm und damit die Anlagerung von Bakterien verringert bzw. vermieden wird. In einer Ausführungsform beträgt die Oberflächenenergie weniger als 15 mN/m. In einer weiteren Ausführungsform ist die Oberflächenenergie kleiner als 10 mN/m.
Als erfindungsgemäßes Beschichtungsmaterial eignen sich thermisch stabile metall-alkoxidische Materialien, die bevorzugt durch das Sol-Gel-Verfahren herstellbar sind. Die Sol-Gel-Hybridpolymere sind thermisch und durch UV-Strahlung härtbar. Sol-Gel-basierte Antihaft-Beschichtungen besitzen einen Netzwerk-Aufbau mit organischen und anorganischen Komponenten.
Grundsätzlich werden in der vorliegenden Erfindung Metall-Alkoxide der allgemeinen Formel (I) verwendet.

X_n-M- (OR)_m-r (I),

wobei

X ein verzweigter oder linearer C₁- bis C₁₂- Alkyl rest bzw. ein C₁- bis C₁₂- Arylrest ist, Geeignete Verbindungen sind Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Tetraethoxyorthosilan, Propyltrimethoxysilan, Propyltriethoxysilan, Isobutyltrimethoxysilan, Isobutyltriethoxysilan, Octyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan oder Phenyltriethoxysilan.
M = Al, Si, Ti oder Zr, noch bevorzugter ist M = Si.
R ist ein verzweigter oder linearer C₁- bis Cs-Alkylrest bzw. Arylrest oder ein damit substituierter Silylrest sein. R umfasst bevorzugt Ethylgruppen (Tetraethyloxytitanat), Isopropylgruppen oder Trimethylsiloxidgruppen.

Werte für m, n bzw. n' ergeben sich aus der Wertigkeit des Metalls bzw. Elements M und können demgemäß ausgewählt werden. Allgemein gilt, dass m bzw. n natürliche Zahlen von ≥1 sind und weiterhin n' - m - n. Für M = Si, Ti und Zr ist m = 4 und m = 3 für M = Al. Beispielsweise ist n = 1 bis 3 für M = Si, Ti, Zr und n = 1 bis 3 für M = Al.
Weiterhin erfindungsgemäß sind Beschichtungen geeignet, die aus herkömmlichen hydrolysebeständigen Lacken bestehen. Bevorzugt wird ein Lacksystem aus der Gruppe ausgewählt, die aus Polyurethan und Silikonen bestehen.
In Silikonen sind Siliziumatome über Sauerstoffatome zu Molekülketten und/oder netzartigen Strukturen verknüpft. Die restlichen freien Valenzelektronen des Siliziums sind dabei durch Kohlenwasserstoffreste beispielsweise durch Methylgruppen wie in Formel (A) dargestellt abgesättigt.
Als Silikone eignen sich vor allem vernetzte Polymethylsiloxane oder Polymethylphenylsiloxane und Fluorsilikone. Fluorsilikone sind temperatur- und oxidationsbeständige Silikone, bei denen die Methyl- durch Fluoralkylgruppen ersetzt sind. Beispielsweise werden Ein- oder Zweikomponenten-Silikonkautschuke wie Powersil 567 bzw. Elastosil RT 675 der Firma Wacker Chemie AG eingesetzt. Diese Silikone sind wärmebeständig, hydrophob, dielektrisch und gelten in der Regel als physiologisch verträglich.
Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung können mit üblichen dem Fachmann bekannten Verfahren, wie Tauchen, Fluten, Spraying oder Rakeln, aufgetragen werden. Die erfindungsgemäße Beschichtung weist bevorzugt eine Schichtdicke von größer als 10 µm auf, bevorzugt von 30 bis 150 µm, noch bevorzugter von 50 bis 100 µm, so dass die Oberflächenrauhigkeit des Rohrmaterials ausgeglichen wird. Wegen der geringen Schichtdicke der hydrophoben Beschichtung wird der Druckverlust im Rohr nicht reduziert. Die Schichtdicke wird auf jeden Fall so gewählt, dass die Rauhigkeit des Rohrmaterials ausgeglichen werden kann.
In einer Ausführungsform erhält man gleichzeitig mit einer Oberflächenfunktionalisierung durch die Zugabe von Mikro- und/oder Nanopartikel in die Beschichtung eine definierte stochastische Mikrorauhigkeit hinsichtlich des maximal auftretenden Höhenunterschieds von Erhöhung und Vertiefung in der Beschichtungsoberfläche, die die Antihafteigenschaften gegenüber Bakterien weiter verbessert. Die Beschichtung weist eine Rauhigkeit (bestimmt nach DIN 4762, ISO 4287/1) von kleiner als 200 nm, auf bevorzugt kleiner als 150 nm, und bevorzugt stochastische Topographien mit Rauhigkeiten von kleiner als 500 nm, bevorzugt kleiner als 300 nm, auf.
In den Figuren zeigt

die Figur 1 den Kontaktwinkel bzw. Randwinkel θ eines Flüssigkeitstropfens als Maß für die energetische Wechselwirkung zwischen dem Festkörper und der Flüssigkeit,
die Figur 2 die Oberfläche einer erfindungsgemäßen Beschichtung in einer Vergrößerung von 3 µm, die eine durch Mikropartikel hervorgerufene stochastische Topographie von 500 nm aufweist. Die Rauhigkeit Ra liegt unter 500 nm,
die Figur 3 die Oberfläche einer erfindungsgemäßen Beschichtung in einer Vergrößerung von 3 µm, die eine durch Mikropartikel hervorgerufene stochastische Topographie von 500 nm aufweist. Die Rauhigkeit Ra liegt unter 500 nm,
die Figur 4 die glatte Oberfläche einer erfindungsgemäßen Beschichtung in einer Vergrößerung von 3 µm, die keine Mikropartikel enthält und eine Rauhigkeit Ra von kleiner 50 nm aufweist.

Geeignete Mikro- oder Nanopartikel, die in der Beschichtung enthalten sein können, sind erfindungsgemäß aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus SiO₂ und BN. Die Partikel weisen eine Partikelgröße von 0,5 µm bis 5,5 µm, bevorzugt 0,5 µm bis 2,0 µm, auf. Werden kleinere Partikelgrößen gewählt, wird das Polymersystem bereits bei einem Gehalt von 10 Vol.-% zähflüssig.
Die Partikel sind in einer Ausführungsform SiO₂-Partikel, spezieller Fluor-funktionalisierte SiO₂-Partikel. In einer anderen Ausführungsform sind die Partikel BN-Partikel. Die Beschichtung enthält erfindungsgemäß Partikel in einer Menge von 10 bis 35 Vol.-%, bevorzugt von 25 bis 32 Vol.-%, besonders bevorzugt von 30 Vol.-%. Bei Volumengehalten bis etwa 30 % ist die Wärmeleitfähigkeit des Verbundes nahezu unabhängig von der Verstärkungsphase. Die Partikel sind dann vollständig von der Kunststoffschicht umhüllt. Bei Füllgraden bis 30 Vol.-% werden noch glatte Schichten erreicht.
Die resultierenden Kontaktwinkel (gegenüber Wasser) von handelsüblichen PUR- und Silikon-Lacken liegen im Bereich von 95 bis 100°. Mit Fluor-funktionalisierten SiO₂-Partikeln oder BN-Partikeln können die Kontaktwinkel auf 140° angehoben werden, wodurch die Oberflächenenergie auf Werte kleiner als 15 mN/m gesenkt werden kann.
Durch den Einbau von wärmeleitenden Partikeln mit Antihafteigenschaften, wie Bornitrid-Partikeln, in die Beschichtung können die Oberflächenenergien weiter auf Werte unter 15 mN/m gesenkt werden. Die plättchenförmigen BN-Partikel bewirken aufgrund der sehr guten Wärmeleitfähigkeit des Bornitrids eine Verbesserung des Wärmeübergangs. Zudem wird durch antistatische Silikonbeschichtungen mit leitenden Partikeln eine elektrostatische Aufladung vermieden.
In einer Ausführungsform sind BN-Partikeln in der Beschichtung enthalten. Durch den Einbau elektrisch isolierender BN-Partikel mit wie vorstehend erwähnten Abmessungen von, weist die erfindungsgemäße Beschichtung, die einen deutlich erhöhten Kontaktwinkel aufweist, eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit auf. Die Wärmeleitfähigkeit hängt von der Größe und Morphologie der eingebauten Partikel ab. Mögliche Morphologien sind zum Beispiel sphärische, splittrige oder schichtförmige Strukturen, bevorzugt ist eine plättchenförmige Morphologie.
Das Cell-to-cell-Signaling an der Oberfläche der Bakterien durch Botenstoffe bewirkt normalerweise eine Anhaftung weiterer Bakterien. Das Cell-to-cell-Signaling degradierter Proteine dagegen bewirkt eine weitere Unterdrückung der Anhaftung von Bakterien. In einer Ausführungsform sind Botenstoffe, die das Cell-to-cell-Signaling und somit die weitere Anlagerung von Bakterien langzeitwirksam unterdrücken, in die Beschichtung eingearbeitet. Geeignete Botenstoffe umfassen beispielsweise Homoserin-Lactone (HSL); AHL und N-Acyl-Homoserin-Lacton bei gram-negativen Mikroorganismen und posttranslational modifizierte Peptide bei gram-Positive Mikroorganismen. Botenstoffe werden beispielsweise in Skiner et al., FEMS Microbiol. Rev. (2005) beschrieben und umfassen Verbindungen wie 3-Oxo-C6-HSL (vibrio fischeri), 2-Heptyl-3-Hydroxyl-4-Chinolin (Pseudomonas aeruginosa), Butyrolacton (Strptomyces griseus), zyklisches Thiolacton (Typ III) (Staphylococcus aureus), S-THMF-borat (V. harveyi) und R-THMF (S. typhimurium).

Herstellungsverfahren

Ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung umfasst die folgenden Schritte:

Bereitstellung eines Metall-alkoxid-Sols mit einem organisch modifizierten Metallalkoxid der allgemeinen Formel I als Ausgangsstoff

X_n-M- (OR)_m-r: (I),

wobei
X ein verzweigter oder linearer C₁- bis C₁₂- Alkylrest bzw. ein C₁- bis C₁₂- Arylrest ist,
M = Si, Ti, Zr oder Al ist
R ein verzweigter oder linearer C₁- bis C₅-Alkylrest bzw. Arylrest oder ein damit substituierter Silylrest ist;
Werte für m, n bzw. n' ergeben sich aus der Wertigkeit des Metalls bzw. Elements M und können demgemäß ausgewählt werden. Allgemein gilt, dass m bzw. n natürliche Zahlen von ≥1 sind und weiterhin n' = m - n. Für M = Si, Ti und Zr ist m = 4 und m = 3 für M = Al. Beispielsweise ist n = 1 bis 3 für M = Si, Ti, Zr und n = 1 bis 3 für M = Al.
oder alternativ eines Lacksystems, ausgewählt aus hydrolysebeständigen Lacken der Gruppe, bestehend aus Polyurethanen, Silikonen;
Aufbringen des Sols oder des Lacksystems auf mindestens eine zu beschichtende Oberfläche durch Tauchen, Fluten, Spraying oder Rakeln;
Härtung des Metall-alkoxid-Sols oder Lacksystems, wobei die Härtung des Silikon- und PUR-Systems bei Temperaturen zwischen 15 und 50°C erfolgt und wobei die Härtung des Metall-Alkoxid-Sols mittels Wärme oder UV-Strahlung durch Hydrolyse und Kondensation der Metall-Alkoxide erfolgt.

Die Formel I umfasst hierbei bevorzugt Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Tetraethoxyorthosilan, Propyltrimethoxysilan, Propyltriethoxysilan, Isobutyltrimethoxysilan, Isobutyltriethoxysilan, Octyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Phenyltriethoxysilan. Bevorzugt ist weiterhin M = Si. R umfasst bevorzugt Ethylgruppen (Tetraethoxytitanat), Isopropylgruppen oder Trimethylsiloxidgruppen
Die Schichtdicke der Beschichtung beträgt erfindungsgemäß 10 bis 150 µm, bevorzugt, 50 bis 130 µm und besonders bevorzugt 50 bis 100 µm.
In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Oberfläche eine Rohr-Innenfläche.
In einer anderen Ausführung wird Silikon, das 10 bis 30 Vol.- % Bornitrid-Partikel enthält, als Beschichtungsmäterial verwendet.
Die zu beschichtende Oberfläche kann vor dem Aufbringen des Sols oder des Lacksystems mit einem organischen Lösungsmittel gereinigt und entfettet werden. Weiterhin kann die zu beschichtende Oberfläche vor dem Aufbringen des Sols oder des Lacksystems mit einer Grundierungsschicht und/oder einem Haftvermittler beschichtet werden. Die zu beschichtende Oberfläche vor dem Aufbringen des Sols oder des Lacksystems kann ebenso mit einer molekularen Schicht mit Silanen oder Siloxanen beschichtet werden.
Wird zur Beschichtung der Oberfläche ein Spraying durchgeführt, kann dies im Plastocor-Verfahren geschehen, bei dem ein teleskopartiger Aufbau mit Spritzdüse zur Beschichtung langer Kühlrohre mit relativ kleinem Rohrdurchmesser verwendet wird.
Die erfindungsgemäße hydrophobe Beschichtung ist auf seine biozide Wirkung auf Edelstahl- und Titansubstraten getestet worden. Mit Schichtdicken von ca. 100 µm auf Titanrohrsubstrat wurden Kontaktwinkel gegenüber Wasser im Bereich von 130 -145° erreicht.
Die erfindungsgemäße Beschichtung weist eine hohe Hydrolysebeständigkeit auf. Die erzielten Oberflächenenergien bleiben selbst bei Wasserlagerung über mehrere Monate erhalten. Beispielsweise lagern sich bei BN-gefüllten Silikonbeschichtungen und Auslagerungen in Flusswasser auch nach 40 Wochen noch keine Bakterien an die beschichteten Substrate.
Bei Gehalten von ca. 30 Vol.-% BN in der Beschichtung wurden Wärmeleitfähigkeiten von größer als 3 W/mK erhalten.
Der Einsatz dieser biozider Materialien im Kühlkreislauf kann den Einsatz löslicher Biozide verhindern. Im Idealfall kann auf eine Rohrreinigungsanlage ganz verzichtet werden. Weitere Vorteile sind ein Erhalt der Anlagenleistung, längere Lebensdauer der Anlage und ein geringerer Reinigungsaufwand.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Beispiele näher erläutert, ohne diese jedoch darauf einzuschränken.

Beispiel 1

Ein Stahlrohr wird auf seiner Innenseite mit einem handelsüblichen Haftvermittler der Firma Wacker Chemie AG behandelt und anschließend mit einem Silikonlack besprüht. Dem Silikonlack wurden zuvor 30 Vol.-% submikroskaligen plättchenförmigen BN-Partikeln, BN CTP05, der Firma Saint-Gobain zugemischt. Der aufgetragene Lack wird bei ca. 30°C gehärtet.

Beispiel 2

Im Plastocor-Verfahren wird auf der Innenseite eines entfetteten Titanrohrs ein Polyurethan-Lack mit 20 Vol.-% fluor-funktionalisierten SiO₂-Partikeln aufgetragen. Der aufgetragene Lack wird bei ca. 20°C gehärtet.

Claims

Beschichtung mit eines Rauhigkeit von kleiner als 200 nm bestimmt nach DIN 4762/ISO 4278/1, für Kondensatorrohre, zur Reduzierung oder Vermeidung einer Biofilm-Bildung, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Oberflächenenergie von kleiner als 20 mN/m bei einem Kontaktwinkel mit Wasser von 130° - 145° aufweist, wobei thermisch stabile metall-alkoxidische Materialien oder hydrolysebeständige Lacke als Beschichtungsmaterial verwendet werden, und wobei die Beschichtung Mikro partikel aus fluorfunktionalisierten SiO₂-Partikeln oder BN-Partikeln mit einer Partikelgröße von 0,5 µm bis 5,5 µm enthält und wobei die hydrolysebeständige Lacke aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus Polyurethanen und Silikonen, und wobei als Ausgangsstoff für das thermisch stabile metall-alkoxidische Material mindestens ein mindestens ein organisch modifiziertes Metallalkoxid der allgemeinen Formel I verwendet wird

X_n-M-(OR)_m-n (I),

wobei
X ein verzweigter oder linearer C₁- bis C₁₂- Alkyl rest bzw. ein C₁- bis C₁₂- Arylrest, ist,

M ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Al, Si, Ti und Zr;

R ein verzweigter oder linearer C₁- bis C₅-Alkylrest bzw. Arylrest oder ein damit substituierter Silylrest ist; und

m = 4 für M = Si, Ti, Zr und

m = 3 für M = Al gilt.
Beschichtung gemäß Anspruch 1, wobei Formel (I) Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Tetraethoxyorthosilan, Propyltrimethoxysilan, Propyltriethoxysilan, Isobutyltrimethoxysilan, Isobutyltriethoxysilan, Octyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan oder Phenyltriethoxysilan ist.
Beschichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei M = Si ist.
Beschichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ethyl und Isopropyl.
Beschichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ihre Schichtdicke 10 bis 150 µm, bevorzugt, 50 bis 130 µm und besonders bevorzugt 50 bis 100 µm beträgt.
Beschichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Partikelgröße der Mikro partikel 0,5 µm bis 2,0 µm beträgt.
Beschichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Partikel in einer Menge von 10 bis 35 Vol.-%, bevorzugt von 25 bis 32 Vol.-%, besonders bevorzugt von 30 Vol.-% in der Beschichtung enthalten sind.
Beschichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung zusätzlich elektrisch leitende Partikel enthält.
Beschichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Silikon aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Polymethylsiloxanen, Polymethylphenylsiloxanen und Fluorsilikonen.
Beschichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung eine Rauhigkeit von kleiner als 150 nm aufweist.
Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Beschichtung stochastische Topographien mit Rauhigkeiten von kleiner als 500 nm, bevorzugt kleiner als 300 nm, aufweist.
Beschichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung zusätzlich explizite Bbtenstoffe enthält, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Homoserin-Lactonen, AHL, N-Acyl-Homoserin-Lacton, 3-Oxo-C6-HSL, 2-Heptyl-3-Hydroxyl-4-Chinolin, Butyrolacton, zyklischem Thiolacton (Typ III), S-THMF-borat und R-THMF.
Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung für Kondensatorrohre, zur Reduzierung oder Vermeidung einer Biofilm-Bildung, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Bereitstellung a) eines Metall-alkoxid-Sols mit einem organisch modifizierten Metallalkoxid der allgemeinen Formel I aus Anspruch 1
b) oder eines Lacksystems, ausgewählt aus hydrolysebeständigem Lacken der Gruppe, bestehend aus Polyurethanen und Silikonen, enthaltend Mikropartikel, entsprechend A1 mit einer Partikelgröße von 0,5 µm bis 5,5 µm;

- Aufbringen des Sols oder des Lacksystems auf mindestens eine zu beschichtende Oberfläche durch Tauchen, Fluten, Spraying oder Rakeln,

- Härtung des Metall-alkoxid-Sols oder Lacksystems, wobei die Härtung des Silikon- und PUR-Systems bei Temperaturen zwischen 15 und 50°C erfolgt; und wobei die Härtung des Metall-Alkoxid-Sols mittels Wärme oder UV-Strahlung durch Hydrolyse und Kondensation der Metall-Alkoxide erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei Formel I Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Tetraethoxyorthosilan, Propyltrimethoxysilan, Propyltriethoxysilan, Isobutyltrimethoxysilan, Isobutyltriethoxysilan, Octyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan oder Phenyltriethoxysilan ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 14, wobei M = Si ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei R ausgewählt ist unter der Gruppe bestehend aus Ethyl und Isopropyl.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die mindestens eine Oberfläche eine Rohr-Innenfläche ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei das Silikon-System 10 bis 30 Vol.-% Bornitrid-Partikel enthält.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei die mindestens eine zu beschichtende Oberfläche vor dem Aufbringen des Sols oder des Lacksystems mit einem organischen Lösungsmittel gereinigt und entfettet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die mindestens eine zu beschichtende Oberfläche vor dem Aufbringen des Sols oder des Lacksystems mit einer Grundierungsschicht und/oder einem Haftvermittler beschichtet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die mindestens eine zu beschichtende Oberfläche vor dem Aufbringen des Sols oder des Lacksystems mit einer molekularen Schicht mit Silanen oder Siloxanen beschichtet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die Schichtdicke der Beschichtung 10 bis 150 µm, bevorzugt, 50 bis 130 µm und besonders bevorzugt 50 bis 100 µm beträgt.